基于STEM教育理念的3D打印课程作业设计

陈方婧

(武汉交通职业学院，武汉 430065)

一、STEM理念概述

STEM教育理念在1986年由美国国家科学委员会发表的《大学的科学、数学和工程教育》中首次提出，STEM教育将Science科学，Technology技术，Engineering工程，Mathematics数学这四门独立的学科进行整合，综合运用在教育教学当中，培养综合性创新人才。相对而言，中国较晚引入STEM理论，2017年6月20日，中国教育科学研究院STEM教育研究中心正式发布《中国STEM教育白皮书》[1]，制定了“中国STEM教育2029创新行动计划”，对未来十余年的STEM教育进行展望，强调教育的实践性、体验性，重视学科间的相互作用，重视学生整合式思维的过程和技能，自此教育思路与教学方式的革新有了新的参考依据。

二、STEM理念在3D打印课程中的运用

STEM教育强调通过一定的教学策略，方法与思路，导入具体现实问题，引导学生发展沟通协作能力、解决问题能力、创新能力,培养学生批判性思维[2]，这与我们传统的“以学生为中心，任务驱动，项目导向，产教融合”的教学理念不谋而合。3D打印课程是武汉交通职业学院——艺术学院，产品艺术设计专业开设的系列课程，根据“2018级产品艺术设计专业人才培养方案”其具体课程有《产品3D打印实训》、《创意思维表达与3D打印实现》、《Rhino+3D打印饰品设计创作》、《3DMAX+3D打印文创产品创作》、《互联网+3D打印产品效果图全景图制作实训》，课程安排在第二学期至第四学期，共计346学时，课程时间跨度长，涵盖内容丰富，将理论和实践结合，课程设置循序渐进。具体的教学实施中将STEM理念融入整个系列课程设计，但教学设计不够完善，在教学实践后，还有许多需要改进。通过研读斯坦福大学设计学院与教育研究生院合作开设的d.loft STEM项目课程[3]，笔者仿照课程案例，改良《创意思维表达与3D打印实现》课程设计，完善课程中作业的设置，以期达到更好的教学效果。

三、3D打印课程作业设计

在教学实践中，课前作业，课堂作业，结课作业贯穿整个课程。科学完善的作业设计能起到教学引导，拓展思维，巩固记忆，教学反馈的作用，所以好的作业设计在课程教学中的作用不言而喻。以《创意思维表达与3D打印实现》的作业设计为例，多维度分析教学需求，制定较为科学，可行性强的作业设计。

(一)内容的综合性

根据“职教20条”的要求，职业教育培养的是综合性的实践型人才，在进行课堂教学、作业设计内容可以从两个方面展开。

1.跨学科的综合性

在《创意思维表达与3D打印实现》这门课程中，笔者特别设计一些有趣的，跨学科的课堂习题，希望营造活跃课堂氛围的同时，让学生们在教学活动中掌握不同学科的知识和技能，并运用到实际设计活动中。例如在课堂作业部分设置了趣味思维题。趣味思维题涵盖面很广，包括奥数题，图形创意与联想题，视错觉题，脑筋急转弯题。这些题取自数学、视觉艺术、心理学等学科，能多维度的开发学生思维，培养他们的思考能力，打破惯性思维，探索视觉妙境，培养联想能力。通过课堂抢答的方式，调动学生积极性。教师会根据课堂情况实时调整教学策略，有趣的课堂作业被安排在课程中间部分，吸引学生注意力。

2.同学科的综合性

3D打印课程中的知识点存在于一个完整的知识网络体系当中，前后互有联系。所以在本门课程的作业设计中，注重同学科的综合性在作业设置中的展现。例如以小组为单位进行3D打印机器操作的课堂实践作业，考查的是学生对机器使用的掌握情况、课程知识点的掌握。机器操作考察了对数字建模软件的处理，实践操作中机器使用规范的遵循，及小组操作时分工协作的合理性。巩固学生对知识的掌握，做到学以致用，融会贯通。

(二)载体的多样性

作业不应当拘泥于课堂，不应当拘泥于纸笔的传统形式，而应该寻找更多的载体，探索更多的可能性。应当有课前思索，课中探索，课后求索的部分，所以作业的设置也应当在课前、课中、课后有不一样的设计与偏向。在这一个部分，笔者用内容载体、环境载体、评价载体这三个不同的维度来论述本门课程作业设计的思路与侧重点。

1.内容载体

(1)题目的开放性。提倡综合性教育，以解决现实中的问题为驱动的STEM教育理念，不期待标准统一的答案，而期待更加具有想象力、多元化的答案。我们在设计作业的时候，应适当的放宽要求，不局限学生思路。在课程结束后，设计了课后小论文环节，希望学生结合自身的情况，对本门课的理解，借助网络查询最新的3D打印知识，写一篇自拟题目的小论文。这样的开放性题目意在锻炼学生的创新思维、批判性思维，提高拓展知识的能力，撰写小论文是希望引导学生进行课后求索，而不是结课后对本门课的内容便不再关心。

(2)作业的实践性。职业教育十分重视“理实一体化”的教学方法，也十分注重教学成果的转化，所以我们在设计作业时，也非常注重作业的实践性，希望作业能脱离纸笔，更多的引导学生动手，动脑，出成果。在作业设计中最后的结课大作业占比最大，也最能考查学生的综合素质及对所学知识的掌握情况。经过筛选，笔者最终选择了征稿时间与课程时间相符合的，中国包装联合会主办的PACKCON STAR AWARDS包装设计大赛，带领学生根据大赛要求来完成大作业的设计，并且将最终的作业拍照，上传网络参加设计比赛。学生以分组的方式完成作业，这样在整个作业完成过程中锻炼学生沟通协作能力，设计创新能力，实践操作能力。作品获奖，将优秀作品申请专利，教学成果转化，整个教学呈现“课程+作品”的形式。

(3)形式的多样性。在作业设计中，笔者会考虑作业形式的多样性。现在学生多是独生子女，在团队合作与沟通交流方面有所欠缺，所以要求学生以小组为单位来完成。作业完成的形式不拘泥于传统，要与新技术相结合。比如合理使用线上课程资源，要求学生课前预习；在网络平台上留言交流，思索之后，带着问题入课堂；也可以借助网络，来拓展相关知识，收集资料后，要求学生们在课堂上分享，以网络分享会的形式，提高大家的学习兴趣，拓展知识面。在课堂作业中不仅仅采用考试，绘图的方式，而加入了“抢答”“速记”环节，活跃课堂氛围的同时，提升学生的反应速度与速记能力。这样形式多样的设计融入整个作业体系中，能极大调动学生参与。

2.环境载体

教师在设计作业时，也应当根据学生完成作业环境、时间的不同，来设置不同环节，设定不同偏重的方向。例如在课前布置的预习作业，需要学生们在课下完成，这种作业的完成时间自由，可以借助线上线下课程，借助网络资源，让大家预习，讨论，引导轻松活跃的氛围。课堂上的作业应当设计得松弛有度，有些是需要迅速反应的快问快答；有些则是需要深度思考的课程论述题；更有些是需要大家思维碰撞的头脑风暴。课后作业学生们可以在图书馆完成，但脱离教师的指导跟课堂约束，难免散漫。所以课下作业被分为几个部分，需要同学们根据时间节点，实时提交作业完成进度。这样能更好的指导学生完成作业，这样设计的课后作业完成度较高，较少出现赶作业的情况。同时也能锻炼学生的时间规划管理能力。

3.评价载体

与教学、作业紧密相关是课程评价体系，评价结果把学生一段时间的表现反映在具体的分数上。与以往的评价体系不同，这门课程将自我评价、同学评价、教师评价、企业评价结合起来，希望更客观完整的给每位同学的课程表现进行评价。将这四组评价综合考量，得出分数，给出评价。希望这样多维度的评价更加客观合理。

(三)设计的层级性

1.作业模块的层级性

作业是根据教学目标，实施教学过程后的成果展现，所以可以通过作业完成的结果来反推教学目标是否完成。教学设计的知识点是层层递进的，在进行作业设计时也要相应的反映其逻辑性、层级性。并且让学生意识到所学知识的层级性、递进性、系统性。

2.作业方式的层级性

笔者希望作业的表现形式多样，保证题目异质性的同时，让学生保持对题目的新鲜感与探求欲。作业的形式有视觉刺激、口头表达、综合设计、书面表达、有奖抢答、实践操作等。多种形式，多变的提问方式，实时调整的授课策略，能让大家兴趣盎然，在课堂上发挥所长，提高综合能力。

改进后的作业设计分为六个部分，课前探索提高学生的自学能力；课中探索设置趣味思维题与创意联想题，拓展思维；实际操作部分结合连线理论题，机械操作，随堂考试提高综合能力；综合性大作业结合设计比赛，将作品更完整的呈现给市场，受到业界的认可；将成果进行专利申请；课后求索注重课程结束后的总结与展望，希望学生们对专业领域的探索能持续下去。

四、小结

经过教学实践与探究，这样的作业设计取得一定成效。在3D打印的课程上，笔者带领2018级产品艺术(1)班的同学参加2019年PACKCON STAR AWARDS包装设计大赛，获“三等奖”1项，“优秀奖”2项。并且将2组获奖作品申报了外观设计专利，将教学成果进行转化。学生也将自己的设计作品放入个人作品集，对未来应聘工作积累材料。反思整个教学实施过程与教学成果，发现还有些许不足及有待改进的地方。首先，希望在未来能引进真实项目，解决实际问题；其次，希望能将作业形式细化，设计不止一套的作业方案，以应对实时变化的课堂需求；最后，希望能引进一些公益化项目，顺应国家政策的同时，发挥学校公益功能。